植物ESCRT复合体的功能研究进展 植物学报    2022, 57 (5): 697-712.   DOI: 10.11983/CBB22038

图2 类TOM1 (TOL)家族蛋白与动物及酵母ESCRT-0组分蛋白的氨基酸序列比对
横线标注区域分别表示VHS和GAT结构域。

正文中引用本图/表的段落

在哺乳动物和真菌中, ESCRT-0由2个异聚亚基构成, 即VPS27/HRS (hepatocyte growth factor-regulated tyrosine kinase substrate)和Hse1 (Hbp STAM, EAST 1)/STAM (signal transducing adaptor molecule) (Gao et al., 2017)。ESCRT介导膜蛋白降解的第1步是ESCRT-0识别被泛素化的膜蛋白。植物中未发现ESCRT-0复合体的同源蛋白, 但已鉴定出具有识别泛素化标签功能的TOLs (TOM1-like proteins)家族蛋白, 推测TOLs家族蛋白可能具有类似于动物与酵母中ESCRT-0的功能(Korbei et al., 2013)。拟南芥基因组中包含9个编码TOLs蛋白的基因, 氨基酸序列分析发现它们编码的蛋白均具有保守的VHS (VPS27、HRS和STAM)和GAT (GGA and Tom1)结构域以及能够与网格蛋白识别并结合的保守基序(motif) (图2)。VHS和GAT结构域均可与K63泛素化链及VPS23结合, 其中GAT是TOL蛋白行使功能的核心结构域(Morita et al., 2007; Radulovic et al., 2018; Isono, 2020)。对TOLs家族蛋白的亚细胞定位及功能分析, 发现TOL2和TOL6定位于质膜和TGN, 通过泛素化结合结构域(ubiquitin-binding domain, UBD)识别被K63泛素化修饰的膜蛋白。UBD的突变不仅会导致TOL6失去结合泛素化链的能力而且会使其亚细胞定位发生变化, 最终使TOL6丧失生物活性(Yoshinari et al., 2018; Isono, 2020)。在高硼环境下, 定位于细胞质和MVB/PVC的TOL5蛋白则可参与调控硼离子运输载体BOR1 (Boron transporter 1)蛋白的分选和降解(Yoshinari et al., 2018)。由于ESCRT复合物与晚期内吞体的识别与结合依赖于ESCRT复合物组分蛋白的FYVE结构域, 可TOL家族蛋白均缺少FYVE结构域, 故植物中ESCRT如何结合到晚期内吞体膜上值得进一步探索。TOL3定位于细胞质, 而TOL9定位于细胞膜和TGN。TOLs家族蛋白的多种亚细胞定位暗示其功能具有多样性(Yoshinari et al., 2018; Isono, 2020)。虽然目前已发现TOLs蛋白功能缺失会造成生长素转运载体PIN2 (PIN-FORMED2)和突触融合蛋白KOLLE异常积累, 但是TOLs家族蛋白如何与已知的ESCRT蛋白互作并协同作用于泛素化蛋白分选的机制仍不清楚, 有待深入研究(Isono, 2020)。

由于植物中缺乏类似于动物和酵母的ESCRT-0组分同源蛋白, 因此有无蛋白代替ESCRT-0复合体识别、结合泛素化的货物蛋白并招募下游ESCRT组分蛋白, 成为研究植物ESCRT复合物的重要问题之一(崔勇等, 2019)。通过对ESCRT-0复合体亚基VPS27/HRS保守结构域氨基酸序列的比对分析, 在拟南芥中鉴定到含有该保守结构域的FREE1蛋白(图2)。FREE1是双子叶植物中的特有蛋白, 在酵母和动物中均未发现其同源蛋白。FREE1蛋白由N端的Pro富集结构域(PRR)、C端的FYVE结构域和CC结构域组成, 在FYVE结构域中还存在2个PTAP-like基序。FYVE结构域在功能上高度保守, 通过PTAP-like基序, FREE1能与ESCRT-I组分蛋白VPS23互作, 也可以与MVB/ PVC膜上的磷脂酰肌醇3-磷酸(phosphatidylinositol- 3-phosphate, PI3P)结合从而定位到MVB/PVC膜上。此外, 通过其N端的PRR结构域, FREE1蛋白也可以与在ESCRT-I上发挥功能的ALIX蛋白互作, 调控MVB/PVC的形成(Shen et al., 2016)。FREE1基因缺失会导致MVB/PVC无法正常形成, 内腔中ILV数量显著减少, 大量小液泡堆积无法形成正常形态以及功能的大液泡, 致使泛素化蛋白降解受阻, 自噬体大量积累, 最终导致植株死亡。因此, FREE1蛋白对ESCRT介导的泛素化蛋白质降解起重要调控作用(Gao et al., 2014, 2015)。此外, FREE1蛋白还可通过其碳端的CC结构域与自噬途径调节因子SH3P2 (SH3 domain-containing protein 2)蛋白氮端的BAR (Bin- amphiphysin-Rvs)结构域相互作用, 介导自噬体形成, 调节蛋白质的降解(Gao et al., 2015)。Belda- Palazon等(2016)针对FREE1功能的进一步研究发现, FREE1不仅能介导ABA受体蛋白PYL4进入液泡降解, 在ABA处理条件下, FREE1蛋白还可被SnRK2 (SNF1-related protein kinase 2)蛋白激酶磷酸化, 进入细胞核与碱性亮氨酸拉链转录因子ABI5 (ABA- INSENSITIVE5)和ABF4 (ABA-RESPONSIVE ELEMENTS BINDING FACTOR 4)结合, 进而抑制其活性, 降低其结合下游基因的能力, 抑制下游基因的表达水平。利用CRISPR-Cas9技术获得的free1-ctmut突变体则表现出ABA敏感性(Li et al., 2019), 暗示FREE1除在传统囊泡运输过程及自噬体途径发挥作用, 还在ESCRT介导的胁迫应激反应中行使重要功能。Xia等(2020)和Xiao等(2020)研究表明, FREE1与SINAT家族蛋白SINAT1-5均具有互作关系, SINAT可通过调控FREE1及ESCRT-I组分蛋白VPS23A的泛素化而进入蛋白酶体降解途径。不仅如此, SINAT还可结合FREE1或VPS23A, 形成SINAT-FREE1或SINAT-VPS23A复合体, 该复合体的降解依赖MVB/ PVC介导的自噬体途径(Xia et al., 2020)。因此, SINAT蛋白可能是决定ESCRT组分蛋白进入蛋白酶体或自噬体降解途径的关键因子。Xiao等(2020)进一步研究显示, 过表达SINAT1-4蛋白可促进FREE1降解, 但过表达SINAT5可增强FREE1的稳定性, 因此SINAT家族蛋白在调控ESCRT-I复合体功能上具有多样性和精密性。

本文的其它图/表

• 表1 内体蛋白分选转运装置(ESCRT)组分蛋白及其功能
  
• 图1 拟南芥中内体蛋白分选转运装置(ESCRT)的作用机制及泛素化的膜蛋白内吞过程
  胞外蛋白和营养物质及新合成的蛋白分别通过蛋白内吞和分泌途径进入反面高尔基体(TGN)。经泛素化修饰的膜蛋白被ESCRT复合物识别, 并以依赖ESCRT的作用机制通过内腔泡(ILVs)进入MVB/PVC内腔, MVB/PVC与液泡融合, 最终使货物蛋白进入液泡中降解, 与此同时ESCRT-III复合体在VPS4/SKD1 ATP水解酶的作用下解离, 进入下一个循环。PM: 质膜; MVB/PVC: 多囊泡体/液泡前体
  
• 图3 不同物种中ESCRT-I组分蛋白(VPS23 (A)、VPS28 (B)和VPS37 (C))间的氨基酸序列比对
  横线区域表示UEV结构域, 虚线框中表示氨基酸保守区域。
  
• 图4 不同物种中ESCRT-III组分蛋白(VPS2 (A)、VPS20 (B)、VPS24 (C)和SNF7 (D))间的氨基酸序列比对
  横线区域分别表示保守的CC结构域和SNF7结构域。